KR102426705B1

KR102426705B1 - 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기 및 이를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다

Info

Publication number: KR102426705B1
Application number: KR1020210059487A
Authority: KR
Inventors: 류성준; 배영석; 이민우; 신진우; 장성훈; 유준형
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-07-27

Abstract

단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기는 제1 대역의 제1 출력 광신호를 제1 RF 신호로 변환하여 제1 송신안테나를 통해 방사하는 제1 채널부, 제2 대역의 제2 출력 광신호를 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나를 통해 방사하는 제2 채널부, 및 단일 연속파 광신호에 중간주파수 신호를 적용하여 상기 제1 출력 광신호를 생성하고, 상기 제1 채널부로부터 피드백되는 상기 제1 RF 신호를 상기 단일 연속파 광신호에 적용하여 상기 제2 출력 광신호를 생성하는 광신호 생성부를 포함한다.

Description

단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기 및 이를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다{PHOTONICS-BASED MULT-BAND TRANSCEIVER USING SINGLE CONTINUOUS WAVE LASER DIODE AND FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE RADAR INCLUDING THE SAME}

본 발명은 포토닉스 기반 송수신기 및 레이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기 및 이를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다에 관한 것이다.

레이다는 항공기, 드론, 차량과 같은 표적의 탐지, 식별을 위한 장치로서 최근에는 다기능, 다중대역 및 광대역 특성이 요구되면서 기존 RF 전자소자를 이용한 레이다의 기술적 한계를 극복하기 위해 마이크로파 포토닉(Microwave photonics) 기술이 제안되었다. 마이크로파 포토닉 기술을 이용하면 기존 RF 전자소자를 이용한 방식과는 달리 광학 변조기를 이용하여 저잡음의 주파수 상향/하향변환이 용이하고 광대역의 신호를 쉽게 만들 수 있다.

마이크로파 포토닉 기술을 적용하여 다중대역에서 동작하는 레이다를 설계하기 위한 방법으로 모드 잠금된 레이저(Mode-Locked Laser, 이하 MLL)를 광원으로 이용한 방법이 제안된 바 있다. 하지만, MLL 적용으로 인한 높은 제작 단가, MLL 구동을 위한 외부 공진기로 인한 부피 증가, 온도 및 구동전압 등 환경에 따라 MLL 특성의 변화가 쉽게 발생하며, 외부환경에 의한 MLL 특성을 일정하게 유지시키기 위해서는 시스템의 복잡도 증가 및 현실적인 기술의 한계가 존재하는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 단일 광원을 이용하여 다중대역 도출이 가능한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기 및 이를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다를 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기는 제1 대역의 제1 출력 광신호를 제1 RF 신호로 변환하여 제1 송신안테나를 통해 방사하는 제1 채널부, 제2 대역의 제2 출력 광신호를 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나를 통해 방사하는 제2 채널부, 및 단일 연속파 광신호에 중간주파수 신호를 적용하여 상기 제1 출력 광신호를 생성하고, 상기 제1 채널부로부터 피드백되는 상기 제1 RF 신호를 상기 단일 연속파 광신호에 적용하여 상기 제2 출력 광신호를 생성하는 광신호 생성부를 포함한다.

상기 광신호 생성부는, 상기 중간주파수 신호를 생성하는 신호 발생기, 상기 중간주파수 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제1 출력 광신호로 상향 변환하는 제1 광변조기, 및 상기 제1 RF 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제2 출력 광신호로 상향 변환하는 제2 광변조기를 포함할 수 있다.

상기 제1 광변조기 및 상기 제2 광변조기 중 적어도 하나는 마하-젠더 변조기일 수 있다.

상기 광신호 생성부는 상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 채널부에 인가하고, 상기 제2 출력 광신호를 상기 제2 채널부에 인가하는 제1 이중 광 대역필터 또는 제1 파장 분할 다중화기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 채널부는, 상기 제1 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제1 RF 신호로 변환하는 제1 광검출기, 및 상기 제1 RF 신호를 상기 제1 송신안테나 및 상기 제2 광변조기로 분배하는 분배기를 포함할 수 있다.

상기 제1 채널부는 상기 제1 출력 광신호에 대비하여 제1 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 제1 비트주파수로 출력하는 제1 위상 변조기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 채널부는, 상기 제2 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제2 RF 신호로 변환하여 상기 제2 송신안테나에 전달하는 제2 광검출기, 및 상기 제2 출력 광신호에 대비하여 제2 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 제2 비트주파수로 출력하는 제2 위상 변조기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 처리하여 표적 정보를 획득하는 수신신호 처리부를 더 포함할 수 있다.

상기 수신신호 처리부는, 상기 제1 비트주파수를 전기적 신호인 제1 수신신호로 변환하는 제3 광검출기, 상기 제2 비트주파수를 전기적 신호인 제2 수신신호로 변환하는 제4 광검출기, 및 상기 제1 위상 변조기로부터 인가되는 상기 제1 비트주파수를 상기 제3 광검출기에 인가하고, 상기 제2 위상 변조기로부터 인가되는 상기 제2 비트주파수를 상기 제4 광검출기에 인가하는 제2 이중 광 대역필터 또는 제2 파장 분할 다중화기를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 주파수 변조 연속파 레이다는 단일 연속파 광신호에 중간주파수 신호를 적용하여 상향 변환한 제1 출력 광신호를 생성하고, 상기 제1 출력 광신호의 전기적 신호인 제1 RF 신호를 상기 단일 연속파 광신호에 적용하여 상향 변환한 제2 출력 광신호를 생성하는 광신호 생성부, 상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 RF 신호로 변환하여 제1 송신안테나를 통해 방사하고, 제1 수신안테나를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제1 비트주파수를 생성하는 제1 채널부, 상기 제2 출력 광신호를 상기 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나를 통해 방사하고, 제2 수신안테나를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제2 비트주파수를 생성하는 제1 채널부, 및 상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 처리하여 표적 정보를 획득하는 수신신호 처리부를 포함한다.

상기 광신호 생성부는, 상기 중간주파수 신호를 생성하는 신호 발생기, 상기 중간주파수 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제1 출력 광신호로 상향 변환하는 제1 광변조기, 및 상기 제1 채널부로부터 피드백되는 상기 제1 RF 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제2 출력 광신호로 상향 변환하는 제2 광변조기를 포함할 수 있다.

상기 제1 채널부는, 상기 제1 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제1 RF 신호로 변환하는 제1 광검출기, 상기 제1 RF 신호를 상기 제1 송신안테나 및 상기 제2 광변조기로 분배하는 분배기, 및 상기 제1 출력 광신호에 대비하여 상기 제1 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 상기 제1 비트주파수로 출력하는 제1 위상 변조기를 포함할 수 있다.

상기 제2 채널부는, 상기 제2 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제2 RF 신호로 변환하여 상기 제2 송신안테나에 전달하는 제2 광검출기, 및 상기 제2 출력 광신호에 대비하여 상기 제2 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 상기 제2 비트주파수로 출력하는 제2 위상 변조기를 포함할 수 있다.

상기 광신호 생성부는 상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 채널부에 인가하고, 상기 제2 출력 광신호를 상기 제2 채널부에 인가하는 제1 이중 광 대역필터 또는 제1 파장 분할 다중화기를 포함할 수 있다.

상기 수신신호 처리부는 상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 대응하는 신호처리 채널로 분배하는 제2 이중 광 대역필터 또는 제2 파장 분할 다중화기를 포함할 수 있다.

다중대역의 각 대역별로 연속파 광원이 필요하지 않고, 단일 연속파 광원으로 다중대역에서 동작하는 송수신기 및 주파수 변조 연속파 레이다를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 이용하여 생성한 이중대역 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 이용한 표적 검출을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기는 광신호 생성부(100), 제1 채널부(110), 제2 채널부(120) 및 수신신호 처리부(150)를 포함한다.

광신호 생성부(100)는 단일 광원에서 생성된 단일 연속파 광신호를 다중대역의 광신호로 상향 변환하여 제1 채널부(110) 및 제2 채널부(120)로 분배할 수 있다. 이때, 광신호 생성부(100)는 하나의 신호 발생기(105)에서 생성되는 중간주파수 신호와 제1 채널부(110)로부터 피드백되는 제1 RF 신호를 이용하여 다중대역의 광신호를 생성할 수 있다. 다시 말해, 광신호 생성부(100)는 단일 연속파 광신호에 신호 발생기(105)에서 생성되는 중간주파수 신호를 적용하여 제1 출력 광신호를 생성하고, 단일 연속파 광신호에 제1 채널부(110)로부터 피드백되는 제1 RF 신호를 적용하여 제2 출력 광신호를 생성할 수 있다.

제1 채널부(110)는 제1 대역(제1 채널)의 제1 출력 광신호를 전기적 신호(제1 RF 신호)로 변환하여 제1 송신안테나(211)를 통해 방사하고, 제1 수신안테나(212)를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제1 비트주파수를 수신신호 처리부(150)에 전달한다. 이때, 제1 채널부(110)는 제1 출력 광신호의 전기적 신호(제1 RF 신호)를 광신호 생성부(100)로 피드백하여 다중대역의 광신호가 생성될 수 있도록 한다.

제2 채널부(120)는 제2 대역(제2 채널)의 제2 출력 광신호를 전기적 신호(제2 RF 신호)로 변환하여 제2 송신안테나(221)를 통해 방사하고, 제2 수신안테나(222)를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제2 비트주파수를 수신신호 처리부(150)에 전달한다.

수신신호 처리부(150)는 제1 채널부(110) 및 제2 채널부(120)로부터 전달되는 신호(제1 비트주파수 및 제2 비트주파수)를 처리하여 표적의 거리, 속도, 방향 등의 표적 정보를 획득할 수 있다.

단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기는 제1 송신안테나(211), 제1 수신안테나(212), 제2 송신안테나(221) 및 제2 수신안테나(222)와 함께 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이다를 이룰 수 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 광신호 생성부(100)는 광신호원(101), 제1 광커플러(Optical signal Coupler, OC)(102), 제1 광변조기(103), 제2 광변조기(104), 신호 발생기(105) 및 제1 이중 광 대역필터(Dual Optical Bandpass Filter, DOBPF)(106)를 포함할 수 있다.

광신호원(101)은 단일 연속파 광신호를 생성할 수 있는 레이저 다이오드를 포함할 수 있으며, 단일 연속파 광신호를 생성하여 제1 광커플러(102)로 방출한다.

제1 광커플러(102)는 광신호원(101)으로부터 수신되는 단일 연속파 광신호를 제1 광변조기(103)와 제2 광변조기(104)로 분배한다.

신호 발생기(105)는 전기적 신호인 중간주파수 신호를 생성하여 제1 광변조기(103)에 제공하고, 제1 광변조기(103)는 중간주파수 신호를 이용하여 단일 연속파 광신호를 체배(multiplication)하여 상향 변환할 수 있다. 제1 광변조기(103)는 마하-젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator, MZM)를 포함할 수 있다. 단일 연속파 광신호를

라 하고, 중간주파수 신호를

라 할 때, 제1 광변조기(103)에서 출력되는 제1 출력 광신호는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 광원의 크기,

는 광원의 각주파수,

는 중간주파수 신호의 각주파수,

는 광변조기의 변환효율,

는 마하-젠더 변조기의 두 RF 신호 입력단에 인가되는 RF 신호,

는 반파장 전압,

는 스위칭 바이어스 전압,

과

는 각각 광변조기에 인가한 바이어스 전압이다.

제2 광변조기(104)는 제1 채널부(110)로부터 다른 하나의 중간주파수 신호(제1 RF 신호)를 인가받고, 중간주파수 신호를 이용하여 단일 연속파 광신호를 체배하여 상향 변환할 수 있다. 제2 광변조기(104)는 마하-젠더 변조기일 수 있으며, 수학식 1과 동일한 방식으로 제2 출력 광신호를 출력할 수 있다.

제1 광변조기(103) 및 제2 광변조기(104)에서 출력되는 제1 출력 광신호 및 제2 출력 광신호는 제1 이중 광 대역필터(106)로 인가된다.

제1 이중 광 대역필터(106)는 제1 광변조기(103)에서 출력되는 제1 출력 광신호를 제1 채널부(110)에 인가하고, 제2 광변조기(104)에서 출력되는 제2 출력 광신호를 제2 채널부(120)에 인가할 수 있다. 실시예에 따라, 제1 이중 광 대역필터(106)는 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexing, WDM)로 대체될 수 있다.

제1 채널부(110)는 제2 광커플러(111), 제1 광검출기(112), 분배기(113) 및 제1 위상 변조기(114)를 포함할 수 있다.

제2 광커플러(111)는 제1 이중 광 대역필터(106)로부터 인가되는 제1 출력 광신호를 제1 광검출기(112) 및 제1 위상 변조기(114)로 분배한다.

제1 광검출기(112)는 제2 광커플러(111)로부터 인가되는 제1 출력 광신호를 전기적 신호인 제1 RF 신호로 변환하여 분배기(113)에 전달한다.

분배기(113)는 제1 광검출기(112)로부터 전달되는 제1 RF 신호를 제1 송신안테나(211) 및 광신호 생성부(100)의 제2 광변조기(104)로 분배한다. 제1 RF 신호는 제1 송신안테나(211)를 통해 방사된다. 그리고 제1 RF 신호는 제2 광변조기(104)의 중간주파수 신호로서 인가된다.

제1 송신안테나(211)를 통해 방사된 RF 신호는 표적에 반사되어 되돌아와서 제1 수신안테나(212)를 통해 수신된다. 제1 수신안테나(212)를 통해 수신된 수신신호는 제1 위상 변조기(114)에 전달된다.

제1 위상 변조기(114)는 제2 광커플러(111)로부터 인가되는 제1 출력 광신호와 제1 수신안테나(212)로부터 수신신호를 전달받고, 제1 출력 광신호(원신호)에 대비하여 수신신호의 변화를 제1 비트주파수(beat frequency)로 출력할 수 있다. 제1 위상 변조기(114)는 제1 비트주파수를 수신신호 처리부(150)에 인가한다.

제2 채널부(120)는 제3 광커플러(121), 제2 광검출기(122) 및 제2 위상 변조기(124)를 포함할 수 있다. 제2 채널부(120)는 제1 채널부(110)와 비교하여 분배기(113)를 포함하지 않고 다른 구성요소는 동일하다고 할 수 있다.

제1 채널부(110)의 제1 RF 신호가 분배기(113)를 통해 제2 광변조기(104)의 중간주파수 신호로서 인가됨에 따라, 제2 광변조기(104)는 제1 채널부(110)의 제1 RF 신호를 이용하여 단일 연속파 광신호를 체배하여 제2 출력 광신호로 상향 변환할 수 있다. 제1 채널부(110)의 제1 RF 신호는 신호 발생기(105)에서 생성된 중간주파수 신호가 체배된 신호이므로, 제2 광변조기(104)에서 출력되는 제2 출력 광신호는 제1 출력 광신호보다 체배된 신호라 할 수 있다. 예를 들어, 제1 채널부(110)의 제1 RF 신호는 신호 발생기(105)에서 생성되는 중간주파수의 2배의 중간주파수를 가질 수 있고, 제2 광변조기(104)는 체1 채널부(110)의 제1 RF 신호를 4체배함으로써 제2 출력 광신호는 제1 출력 광신호보다 4체배된 신호일 수 있다. 제2 출력 광신호는 제1 이중 광 대역필터(106)를 통해 제3 광커플러(121)에 인가될 수 있다.

제3 광커플러(121)는 제1 이중 광 대역필터(106)로부터 인가되는 제2 출력 광신호를 제2 광검출기(122) 및 제2 위상 변조기(124)로 분배한다.

제2 광검출기(122)는 제3 광커플러(121)로부터 인가되는 제2 출력 광신호를 전기적 신호인 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나(221)에 전달한다. 제2 RF 신호는 제2 송신안테나(221)를 통해 방사된다.

제2 송신안테나(221)를 통해 방사된 제2 RF 신호는 표적에 반사되어 되돌아와서 제2 수신안테나(222)를 통해 수신되고, 제2 수신안테나(222)를 통해 수신된 수신신호는 제2 위상 변조기(124)에 전달된다.

제2 위상 변조기(124)는 제3 광커플러(121)로부터 인가되는 제2 출력 광신호와 제2 수신안테나(222)로부터 수신신호를 전달받고, 제2 출력 광신호(원신호)에 대비하여 수신신호의 변화를 제2 비트주파수로 출력할 수 있다. 제2 위상 변조기(124)는 제2 비트주파수를 수신신호 처리부(150)에 인가한다.

수신신호 처리부(150)는 제2 이중 광 대역필터(151), 제3 광검출기(152), 제4 광검출기(153), 제1 아날로그-디지털 컨버터(154), 제2 아날로그-디지털 컨버터(155) 및 디지털 신호 처리기(156)를 포함할 수 있다.

제2 이중 광 대역필터(151)는 제1 채널부(110)의 제1 위상 변조기(114)로부터 인가되는 제1 비트주파수를 제3 광검출기(152)에 인가하고, 제2 채널부(120)의 제2 위상 변조기(124)로부터 인가되는 제2 비트주파수를 제4 광검출기(153)에 인가할 수 있다. 실시예에 따라, 제2 이중 광 대역필터(151)는 파장 분할 다중화기(WDM)로 대체될 수 있다.

제3 광검출기(152)는 제1 비트주파수를 전기적 신호인 제1 수신신호로 변환하여 제1 아날로그-디지털 컨버터(154)에 전달하고, 제1 아날로그-디지털 컨버터(154)는 제1 수신신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 신호 처리기(156)에 전달할 수 있다. 제3 광검출기(152)와 제1 아날로그-디지털 컨버터(154)는 제1 채널부(110)의 대응하는 제1 신호처리 채널이라 할 수 있다.

제4 광검출기(153)는 제2 비트주파수를 전기적 신호인 제2 수신신호로 변환하여 제2 아날로그-디지털 컨버터(155)에 전달하고, 제2 아날로그-디지털 컨버터(155)는 제2 수신신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 신호 처리기(156)에 전달할 수 있다. 제4 광검출기(153)와 제2 아날로그-디지털 컨버터(155)는 제2 채널부(120)의 대응하는 제2 신호처리 채널이라 할 수 있다.

디지털 신호 처리기(156)는 제1 아날로그-디지털 컨버터(154) 및 제2 아날로그-디지털 컨버터(155)를 통해 전달되는 디지털 신호들을 신호처리하여 표적의 거리, 속도, 방향 등의 표적 정보를 획득할 수 있다.

이상, 도 1에서는 제1 채널과 제2 채널로 제1 RF 신호 및 제2 RF 신호를 방사하는 이중대역 송수신기의 구조에 대하여 설명하였다. 도 1의 실시예에서 제1 이중 광 대역필터(106)와 제2 이중 광 대역필터(151)를 파장 분할 다중화기(WDM)로 대체하고 채널부를 추가하여 채널을 늘리게 되면, 필요에 따라 3 이상의 채널로 RF 신호를 방사하는 다중대역 송수신기를 만들 수 있다. 이에 대하여 도 2를 참조하여 도 1과의 차이점 위주로 설명한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 나타내는 블록도이다. 도 2에서는 도 1의 실시예와 동일하고 반복되는 구성요소는 도시되지 않고 생략되었다.

도 2를 참조하면, 제1 이중 광 대역필터(106)가 제1 파장 분할 다중화기(106')로 대체되고, 제2 이중 광 대역필터(151)가 제2 파장 분할 다중화기(151')로 대체될 수 있다. 그리고 제1 채널부(110)와 동일한 구조를 갖는 추가 채널부(110')가 하나 이상 추가될 수 있다.

제1 파장 분할 다중화기(106')는 다중대역의 출력 광신호를 제1 채널부(110), 추가 채널부(110') 및 제2 채널부(120)로 분배할 수 있다.

추가 채널부(110')는 제1 채널부(110)와 동일한 구조로 구성되고, 제1 파장 분할 다중화기(106')로부터 수신되는 어느 하나의 출력 광신호로부터 변환된 전기적 신호인 RF 신호를 송신한테나(211')를 통해 방사하고 광신호 생성부(100)로 피드백할 수 있다.

여기서는 광신호 생성부(100)가 제1 채널부(110)와 제2 채널부(120)에 대응하는 제1 광변조기(103)와 제2 광변조기(104)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 광신호 생성부(100)는 추가 채널부(110')에 대응하는 개수만큼 광변조기를 더 포함하고, 추가된 광변조기 각각은 추가 채널부(110') 각각으로부터 RF 신호를 수신하여 다중대역의 출력 광신호를 생성할 수 있다. 다중대역의 출력 광신호는 제1 파장 분할 다중화기(106')에 인가된다.

제1 채널부(110), 추가 채널부(110') 및 제2 채널부(120)에 의해 서로 다른 대역의 RF 신호가 방사되고, 표적에 반사된 다중대역의 수신신호가 제1 채널부(110), 추가 채널부(110') 및 제2 채널부(120) 각각의 수신안테나(212, 212', 222)를 통해 수신될 수 있다.

도시되지 않고 생략되었으나, 수신신호 처리부(150')는 다중대역의 채널수에 대응하는 개수의 광검출기와 아날로그-디지털 컨버터를 포함하고(즉, 신호처리 채널을 포함하고), 이에 연결된 디지털 신호 처리기를 포함할 수 있다.

제2 파장 분할 다중화기(151')는 제1 채널부(110), 추가 채널부(110') 및 제2 채널부(120) 각각으로부터 수신되는 RF 신호의 비트주파수를 대응하는 신호처리 채널의 광검출기로 분배할 수 있다. 디지털 신호 처리기(156)는 다수의 신호처리 채널을 통해 전달되는 디지털 신호들을 신호처리하여 표적의 거리, 속도, 방향 등의 표적 정보를 획득할 수 있다.

이하, 도 3 및 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기의 설계 타당성을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 이용하여 생성한 이중대역 신호를 나타내는 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기를 이용한 표적 검출을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.

시뮬레이션 수행을 위한 변수는 아래의 표 1과 같다.

도 3의 (a)는 신호 발생기(105)에서 생성되는 중간주파수 신호의 신호 스펙트럼을 나타내고, 도 3의 (b)는 제1 광변조기(103)를 통해 생성되는 X-대역(9GHz)의 제1 출력 광신호를 나타내고, 도 3의 (c)는 제2 광변조기(104)를 통해 생성되는 Ka-대역(36GHz)의 제2 출력 광신호를 나타내고 있다. 도 3과 같이, 제1 광변조기(103) 및 제2 광변조기(104)를 통한 이중대역 신호의 생성이 잘 수행되고 있음을 확인할 수 있다.

표적으로 방사된 신호의 대역폭(B)과 주기(T) 및 표적까지의 거리(R)에 의해 발생하는 주파수 변이(Δf)는 수학식 2와 같이 산출할 수 있다.

여기서, c는 빛의 속도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기의 광자기반 주파수 하향변환 동작을 검증하기 위해 3km 거리에 표적이 존재하는 조건에서 비트주파수를 검출하는 시뮬레이션이 수행되었으며, 그 결과는 도 4에 도시한 바와 같다.

생성된 X-대역의 제1 출력 광신호의 대역폭이 2GHz이고, Ka-대역의 제2 출력 광신호의 대역폭이 8GHz 이므로 수학식 2에 의해 3km 떨어진 표적에 의한 비트주파수는 각각 400MHz와 1.6GHz로 산출된다. 수학식 2에 의한 산출 결과와 시뮬레이션 결과가 일치함을 알 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 광신호 생성부 101: 광신호원
102: 제1 광커플러 103: 제1 광변조기
104: 제2 광변조기 105: 신호발생기
106: 제1 이중 광 대역필터 110: 제1 채널부
111: 제2 광커플러(111) 112: 제1 광검출기
113: 분배기 114: 제1 위상 변조기
120: 제2 채널부 121: 제3 광커플러
122: 제2 광검출기 124: 제2 위상 변조기
150: 수신신호 처리부 151: 제2 이중 광 대역필터
152: 제3 광검출기 153: 제4 광검출기
154: 제1 아날로그-디지털 컨버터 155: 제2 아날로그-디지털 컨버터
156: 디지털 신호 처리기

Claims

제1 대역의 제1 출력 광신호를 제1 RF 신호로 변환하여 제1 송신안테나를 통해 방사하는 제1 채널부;
제2 대역의 제2 출력 광신호를 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나를 통해 방사하는 제2 채널부; 및
단일 연속파 광신호에 중간주파수 신호를 적용하여 상기 제1 출력 광신호를 생성하고, 상기 제1 채널부로부터 피드백되는 상기 제1 RF 신호를 상기 단일 연속파 광신호에 적용하여 상기 제2 출력 광신호를 생성하는 광신호 생성부를 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제1 항에 있어서,
상기 광신호 생성부는,
상기 중간주파수 신호를 생성하는 신호 발생기;
상기 중간주파수 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제1 출력 광신호로 상향 변환하는 제1 광변조기; 및
상기 제1 RF 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제2 출력 광신호로 상향 변환하는 제2 광변조기를 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제2 항에 있어서,
상기 제1 광변조기 및 상기 제2 광변조기 중 적어도 하나는 마하-젠더 변조기인 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제2 항에 있어서,
상기 광신호 생성부는 상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 채널부에 인가하고, 상기 제2 출력 광신호를 상기 제2 채널부에 인가하는 제1 이중 광 대역필터 또는 제1 파장 분할 다중화기를 더 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제2 항에 있어서,
상기 제1 채널부는,
상기 제1 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제1 RF 신호로 변환하는 제1 광검출기; 및
상기 제1 RF 신호를 상기 제1 송신안테나 및 상기 제2 광변조기로 분배하는 분배기를 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제5 항에 있어서,
상기 제1 채널부는 상기 제1 출력 광신호에 대비하여 제1 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 제1 비트주파수로 출력하는 제1 위상 변조기를 더 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제6 항에 있어서,
상기 제2 채널부는,
상기 제2 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제2 RF 신호로 변환하여 상기 제2 송신안테나에 전달하는 제2 광검출기; 및
상기 제2 출력 광신호에 대비하여 제2 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 제2 비트주파수로 출력하는 제2 위상 변조기를 더 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제7 항에 있어서,
상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 처리하여 표적 정보를 획득하는 수신신호 처리부를 더 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
제8 항에 있어서,
상기 수신신호 처리부는,
상기 제1 비트주파수를 전기적 신호인 제1 수신신호로 변환하는 제3 광검출기;
상기 제2 비트주파수를 전기적 신호인 제2 수신신호로 변환하는 제4 광검출기; 및
상기 제1 위상 변조기로부터 인가되는 상기 제1 비트주파수를 상기 제3 광검출기에 인가하고, 상기 제2 위상 변조기로부터 인가되는 상기 제2 비트주파수를 상기 제4 광검출기에 인가하는 제2 이중 광 대역필터 또는 제2 파장 분할 다중화기를 포함하는 단일 광원을 이용한 포토닉스 기반 다중대역 송수신기.
단일 연속파 광신호에 중간주파수 신호를 적용하여 상향 변환한 제1 출력 광신호를 생성하고, 상기 제1 출력 광신호의 전기적 신호인 제1 RF 신호를 상기 단일 연속파 광신호에 적용하여 상향 변환한 제2 출력 광신호를 생성하는 광신호 생성부;
상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 RF 신호로 변환하여 제1 송신안테나를 통해 방사하고, 제1 수신안테나를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제1 비트주파수를 생성하는 제1 채널부;
상기 제2 출력 광신호를 제2 RF 신호로 변환하여 제2 송신안테나를 통해 방사하고, 제2 수신안테나를 통해 수신되는 수신신호에 따른 제2 비트주파수를 생성하는 제2 채널부; 및
상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 처리하여 표적 정보를 획득하는 수신신호 처리부를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.
제10 항에 있어서,
상기 광신호 생성부는,
상기 중간주파수 신호를 생성하는 신호 발생기;
상기 중간주파수 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제1 출력 광신호로 상향 변환하는 제1 광변조기; 및
상기 제1 채널부로부터 피드백되는 상기 제1 RF 신호를 이용하여 상기 단일 연속파 광신호를 체배하여 상기 제2 출력 광신호로 상향 변환하는 제2 광변조기를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.
제11 항에 있어서,
상기 제1 채널부는,
상기 제1 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제1 RF 신호로 변환하는 제1 광검출기;
상기 제1 RF 신호를 상기 제1 송신안테나 및 상기 제2 광변조기로 분배하는 분배기; 및
상기 제1 출력 광신호에 대비하여 상기 제1 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 상기 제1 비트주파수로 출력하는 제1 위상 변조기를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.
제12 항에 있어서,
상기 제2 채널부는,
상기 제2 출력 광신호를 전기적 신호인 상기 제2 RF 신호로 변환하여 상기 제2 송신안테나에 전달하는 제2 광검출기; 및
상기 제2 출력 광신호에 대비하여 상기 제2 수신안테나로부터 전달되는 수신신호의 변화를 상기 제2 비트주파수로 출력하는 제2 위상 변조기를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.
제10 항에 있어서,
상기 광신호 생성부는 상기 제1 출력 광신호를 상기 제1 채널부에 인가하고, 상기 제2 출력 광신호를 상기 제2 채널부에 인가하는 제1 이중 광 대역필터 또는 제1 파장 분할 다중화기를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.
제10 항에 있어서,
상기 수신신호 처리부는 상기 제1 비트주파수 및 상기 제2 비트주파수를 대응하는 신호처리 채널로 분배하는 제2 이중 광 대역필터 또는 제2 파장 분할 다중화기를 포함하는 주파수 변조 연속파 레이다.